土壤營養(yǎng)元素流失、重金屬污染是當(dāng)前全球面臨的突出環(huán)境問題。生物炭因其具有比表面積較大、吸附性能高和成本低等優(yōu)點(diǎn)而在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域日益受到廣泛關(guān)注，被作為水處理吸附劑、土壤修復(fù)改良劑廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤改良和環(huán)境中重金屬的修復(fù)和鈍化。但通常情況下，與市場上所使用的活性碳相比，新制備的生物炭對污染物的吸附能力相對較低。此外，由于生物炭密度較低，顆粒度小，在污水處理過程中很難從水體中進(jìn)行分離，施用于土壤后容易隨水遷移、下滲，從而可能造成環(huán)境二次污染，這大大限制了生物炭技術(shù)的推廣及應(yīng)用。因此，研發(fā)低成本、高效率、環(huán)境友好型的功能化生物炭復(fù)合材料對水/土壤污染修復(fù)治理與改良具有非常重要的意義。

針對以上問題，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李心清課題組副研究員王兵通過與美國佛羅里達(dá)大學(xué)教授高斌合作，開展了不同功能化生物炭改性技術(shù)研發(fā)及其在土壤/水環(huán)境污染修復(fù)治理及營養(yǎng)元素固持方面的研究，取得了一系列新認(rèn)識和進(jìn)展：

1、針對生物炭施用于土壤以后，可能存在老化的問題，研究人員采用雙氧水對生物炭進(jìn)行連續(xù)氧化處理，開展了氧化生物炭對重金屬元素Pb的吸附固持機(jī)理研究。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面氧化處理后，生物炭表面含氧官能團(tuán)增加。通過pH值調(diào)節(jié)以后，氧化程度越高的生物炭在中性條件下對重金屬元素Pb的吸附能力越強(qiáng)，鈍化效果越明顯。表明氧化作用和pH值對生物炭對重金屬元素Pb的影響較大，該研究結(jié)果為生物炭應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)治理提供了理論基礎(chǔ)。上述研究成果發(fā)表在Science of the Total Environment?雜志上。

2、研究人員采用生物炭與海藻酸鈉為原料，研發(fā)制備了海藻酸鈣-生物炭復(fù)合材料，該方法不僅有效解決了生物炭密度低、顆粒度小、易隨水遷移、下滲等問題，而且大幅提高了其對污染物的吸附能力。通過對水溶液中重金屬元素Cd的吸附研究發(fā)現(xiàn)，與生物炭自身對重金屬元素Cd的吸附能力相比，該復(fù)合材料對重金屬元素Cd的吸附能力大幅提高，最大吸附能力由40.0 mg/g提高到251.8 mg/g。上述研究成果發(fā)表在Journal of Environmental Management?雜志上。

3、為評估生物炭-海藻酸鈣復(fù)合材料在土壤水分、養(yǎng)分固持方面的應(yīng)用潛力，研究人員針對該復(fù)合材料對土壤水分和營養(yǎng)元素K+和NO3-的固持和緩釋能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與海藻酸鈣微球相比，生物炭-海藻酸鈣復(fù)合材料在不同環(huán)境溫度下(20℃、30℃和50℃)對水分的固持能力都顯著高于海藻酸鈣微球本身，同時對營養(yǎng)元素具有較好的吸附固持和緩釋能力，表明生物炭的引入可以有效提高海藻酸鈣微球的持水能力和增強(qiáng)營養(yǎng)元素的固持緩釋作用，該研究結(jié)果為后續(xù)應(yīng)用于土壤保水保肥(尤其是干旱半干旱地區(qū))提供了很好的基礎(chǔ)。上述研究成果發(fā)表在Journal of Industrial and Engineering Chemistry?雜志上。

在以上研究工作的基礎(chǔ)上，研究人員對國內(nèi)外不同生物炭的改性技術(shù)方法和應(yīng)用以及海藻酸鹽基復(fù)合材料在環(huán)境修復(fù)治理應(yīng)用方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，針對目前功能化生物炭改性技術(shù)方法和不同海藻酸鹽基復(fù)合材料及其優(yōu)缺點(diǎn)分別進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對其制備方法、對不同污染物的吸附去除機(jī)理及其在環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，指明了生物炭改性技術(shù)方法和海藻酸鹽基復(fù)合材料未來在環(huán)境方面的應(yīng)用發(fā)展方向，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了很好的借鑒。上述研究成果分別于2017年和2018年發(fā)表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology?雜志上。

上述研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0502602)、中科院公派出國留學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目、貴州省高層次留學(xué)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的資助。

工程生物炭與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展

來源：中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所

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總結(jié)

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